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自由意志真的存在嗎?利貝特誕辰│科學史上的今天:4/12

張瑞棋_96
・2015/04/12 ・919字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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美國心理學家利貝特在實驗中發現,在我們「決定」之前,大腦已經做決定了。

我們有自由意志嗎?儘管有時我們會有不假思索的本能反應,儘管有時我們會受情緒影響而做出不理性的行為,儘管有時我們會因生存壓力而被迫做出不得已的選擇,但無論如何,大體而言我們仍相當確定「我」是自己的主人,我的行為是源自我的自由意志。然而,美國心理學家利貝特 (Benjamin Libet) 在 1980 年代所做的實驗卻動搖了這個基本信念。

利貝特讓受試者戴上可以偵測腦電圖的電極,然後看著前方電腦螢幕上的時鐘,時鐘刻度上有個圓點會以順時針的方向繞行鐘面,受試者可隨時按下按鈕,但要在決定按下去的那一剎那記住圓點所在位置,利貝特就可以據此知道受試者何時做了按鈕的決定。平均而言,大腦下決定之後隔 0.2 秒手才有動作,這並不奇怪,畢竟神經訊號從大腦傳遞到手本來就需要時間。但奇怪的是,利貝特發現早在受試者按鈕的 0.5 秒之前,腦電圖就己經偵測到受試者打算按鈕的「準備電位」(readiness potential)。也就是說,在你想說:「好,就這時候按!」之前,其實你的大腦早就已經做好決定了。

利貝特改用彎曲手指或轉動手腕的方式來實驗,所得到的結果也都一樣。我們以為是自己有意識地做了選擇,其實這個選擇在我們毫不知情之下早就被決定了!這麼說來,所謂自由意志只是一種幻覺嗎?只是事後為了將大腦的神經活動合理化的自圓其說嗎?難道我們只是神經科學家哈里斯 (Sam Harris) 所形容的「生化傀儡」嗎?

這個實驗結果帶來的衝擊甚至遠甚於道金斯的「自私的基因」理論,畢竟我們原本還能寄望於自由意志可以掙脫基因施加於我們身上的先天桎梏。一旦連自由意志都是假的,那麼笛卡兒說的「我思故我在」又有何意義?

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利貝特的實驗挑起的議題畢竟太具爭議性,一方面啟發許多神經科學家用更先進的儀器與方法重做利貝特的實驗,一方面也引發許多哲學家以不同觀點詮釋這些實驗結果。無論如何,對於自由意志的繼續深入挖掘與多方面的研究探討,總是有助於我們更加了解自己,而找出安身立命之道。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 945 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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【Gene思書齋】咔嚓!切開左右腦
Gene Ng_96
・2017/07/15 ・2200字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

你應該看過一些圖,例如「旋轉的舞者」或「前進的騎士」,聽說這些圖可以判斷你是左腦人還是右腦人

然而這些傳聞可能純屬謠言,或說是偽科學。因為一來,僅要你判斷舞者或騎士方向,無法確認你擅長用左腦還是右腦;二來不管你進行的是理性的思考,還是感性的創意,兩側的大腦都要同時使用。不管科不科學,所謂的左腦右腦開發,恐怕是史上最廣為流傳的心理學迷思吧!

正常人左右腦之間,會透過胼胝體(corpus callosum)來溝通訊息。可是,在醫療倫理未像今天這樣良好建立的時代,神經外科醫師會為癲癇病患進行一種手術,把胼胝體咔嚓切掉,讓大腦不正常的同步放電侷限在一個腦半球,減輕癲癇發作時的症狀。

胼胝體被咔嚓掉的病患,日常生活裡的人格、認知和心理,似乎沒啥重大改變,直到加州理工學院的羅傑.斯佩里(Roger W. Sperry,1913-1994)和他的學生找來裂腦人進行一系列設計巧妙的實驗,發現阻斷左右腦之間的互通有無、讓左右腦不知道另一個腦半球在想啥,會產生不少有趣的實驗結果,也揭露出腦功能側化(Lateralization of brain function)的發現。

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當左右腦不能溝通,會發生什麼事?

羅傑.斯佩里因裂腦人的研究榮獲 1981 年諾貝爾生理醫學獎,當時功勞最大的學生是葛詹尼加(Michael S. Gazzaniga),他們共同在加州理工設計一系列實驗,探討裂腦人在語言、視覺和運動上的變化,透過那些實驗,他們發現一些神經認知過程,有左右腦功能側化的現象,也就是主要會由一個腦半球掌管。

此外,他們也發現左腦主要負責說話和語言能力,右腦主要掌管空間和面部辨識。在裂腦人左右腦無法溝通的情況下,研究人員分別讓左右眼觀看不同圖像,實驗者居然可以掰出自以為合理的解釋,例如給右腦看一個雪鏟,左腦看雞爪,實驗者分別用左手指著雪鏟、右手指著雞爪,說鏟子是用來清雞糞的。

裂腦研究的啟示是,大腦並不像學界曾經認定的同質化處理信息,相反的,腦組織會特化成不同模組和迴路來進行特化功能。

這個啟示是個典範轉移,因為當時美國心理學界主導的是行為主義,主張心理學應該研究「可以被觀察和直接測量的行為」,反對研究「沒有科學根據的意識」。

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可是葛詹尼加創意的認知神經科學,卻開啟了對意識的科學研究,也因為認識到腦是由不同模組和迴路組成的,葛詹尼加在《我們真的有自由意志嗎?》(Who’s in Charge?: Free Will and the Science of the Brain)一書中主張:腦中沒有一個主導的命令中心,「自我」和「自由意志」都是幻覺,意識是腦整體平行而分散地運作下由「解譯器」產生的(詳情請參見《我們真的有自由意志嗎?》)。

一窺腦科學家的科學與人性面

《切開左右腦:葛詹尼加的腦科學人生》Tales from Both Sides of the Brain: A Life in Neuroscience)是羅傑.斯佩里高徒葛詹尼加的自傳。葛詹尼加除了是位優異的學者,也相信科學家必須和社會大眾溝通,所以也寫了《大腦、演化、人》(Human: The Science behind What Makes Us Unique)、《社交大腦》(The Social Brain)、《心智問題》(Mind Matters)、《自然界的心智》(Nature’s Mind)、《倫理的腦》(The Ethical Brain)、《我們真的有自由意志嗎?》等科普書。

葛詹尼加的教職經歷很豐富,曾兩度在他的母校達特茅斯學院(Dartmouth College)任教,也兩度待過加州大學聖塔巴巴拉分校,還有在筆者我的母校加州大學戴維斯分校創立的神經科學研究中心,中間還待過紐約大學、紐約州立大學石溪分校、康乃爾大學醫學院等。此外,他創辦了《認知神經科學期刊》,還創建了認知神經科學學會。

《切開左右腦》中,葛詹尼加描述他們研究的進行過程以及科學上的意義。他一開始主要的研究是透過裂腦人進行,隨著技術的進步,他們可以利用更先進的儀器探討大腦功能,如 CT、fMRI、PET、SPECT、MEG 等等,非專家的讀者不見得需要知道這些縮寫的詳細內容,但這般在技術上與時俱進,對科學研究而言是非常重要的。

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他也談到生活中相關的決定,如搬家、婚姻、旅行等等,在《切開左右腦》中讓人見識到頂尖科學家的人性層面;另外還有在團隊、期刊、學會、研討會和研究單位創建等過程中,他如何和許多學者、甚至是媒體人及政治家建立了深厚友誼,以及受到許多貴人的相助,可以看出科學研究不是單打獨鬥,人緣好也是很重要的

整本書,完全沒有談到 KPI、SCI 和期刊論文點數,只有對研究旺盛強烈的好奇心,不像今天亞洲多國學者在政府搞不清楚狀況下,被套牢在拚論文篇數和點數的困境裡;何況從書中葛詹尼加多次在不同大學院校擔任主管、和上層應對打交道的經驗來看,愈有效率的方式往往是愈有彈性的,被一大堆規定綁死、疲於和官僚打交道,只會扼殺一流的創意、製造二流的成果。

如果你對腦科學和神經科學感興趣,《切開左右腦》是本必讀讀物。而如果是想要獻身科學研究或者只想要瞭解相關工作,《切開左右腦》同樣是本很好的參考讀物!

本文原刊登於閱讀最前線【GENE 思書軒】,並同步刊登於 The Sky of Gene

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 29 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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【Gene思書齋】從腦神經科學,看自制力如何抵抗棉花糖的誘惑
Gene Ng_96
・2017/06/11 ・2458字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

 

或許你聽過棉花糖實驗,但是身為成人或青少年,棉花糖恐怕不算啥誘惑了,不過如果是金錢、榮耀、高富帥/白富美、高熱量食物、電動遊戲……呢?我們目前能抗拒誘惑,是否只是心中真正想得到的東西還未出現,又或者真是自己自制力真的特強?

棉花糖的實驗,如何討論自制力?

廣為人知的史丹佛棉花糖實驗(Stanford Marshmallow Experiment),是 1966 年到 1970 年代早期,史丹佛大學心理學家沃爾特.米歇爾在幼兒園進行的一系列關於自制力的心理學經典實驗。心理學家召集六百多名四歲兒童進行了一場簡單的實驗。每位孩子在房間裡獨處十五分鐘,面對桌上一顆棉花糖,如果研究人員回來時棉花糖還在桌上,這位孩子會多得到一塊棉花糖作為獎勵。然而若他們吃掉了棉花糖,實驗就此結束,他們也拿不到多一塊棉花糖。如果孩子沒吃掉棉花糖,則會得到第二塊。十五分鐘的等待換得報酬率百分之百的投資,對四歲孩子來說是個很不錯的交易。

不少小孩忍不住把棉花糖吃了,約有三分之一的小孩撐過了十五分鐘,得到了第二塊棉花糖的獎勵。後續的追蹤研究發現,四歲時能忍著沒吃第一塊棉花糖的孩子,長大後學業表現較佳。他們與老師、同學、父母互動較好,收入也較高而且身體也較健康等等。

簡單來說,棉花糖實驗顯示有自制力抗拒誘惑延遲滿足的人,可能在事業和人生有比較好的成就。然而,如果無法忍著不吃棉花糖,是否就注定了未來一事無成? 有人天生自制力就較強,就像肌肉一樣,有人天生肌肉發達。但自制力能鍛鍊,也像肌肉一樣會痠痛疲憊,;如果自制力可能比智商更重要,那麼我們對下一代的教育,是否更該重視自制力養成?德國著名的神經科學家和科普作家阿希姆‧鮑爾(Joachim Bauer)的《棉花糖的誘惑:從腦神經科學看自制力》Selbststeuerung: die Wiederentdeckung des freien Willens)談的就是這個問題。

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真正的自由意志,來自於「自制」?

《棉花糖的誘惑》的寫作風格和英美科普書不同,很有德式冷靜的論證風格。阿希姆.鮑爾第一章就從哲學、神經科學及心理學的角度抨擊主張人沒有自由意志的神經科學研究和主張。

我在此專欄中介紹過這個主張,包括《我們真的有自由意志嗎?:意識、抉擇與背後的大腦科學》Who’s in Charge? : Free Will and the Science of the Brain)和《我即我腦:從子宮孕育到阿茲海默症,大腦決定我是誰》Wij Zijn Ons Brein),都有提到神經科學研究推翻了自由意志等等,證據是在我們的意識作出反應前的些微片刻,下意識(或稱潛意識或無意識)就先有了決定。

但是阿希姆.鮑爾認為如此解讀是個嚴重的誤解,他主要論點是我們的精神活動中,有意識的相對之下僅是一小部分,但意識和潛意識並非單向溝通、而是互相滲透的,潛意識並非自由意志的敵人。

阿希姆.鮑爾主張,真正的自由來自自制,這和千古以來哲人大德的主張一樣。只要我們能夠靜下心來思考,比較不同狀況中各個選項的利弊得失,繼而做出選擇,我們就擁有「自由意志」。他接著論證,人類天生就具有習得自制的能力,前額葉皮質裡的神經網絡是自制力的神經生物基礎,兩歲以前的教養,教導小孩不衝動行事,對妥善自制力的養成格外重要。

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如果自由意志也是教育問題,社會經驗會影響大腦發育,那下一代小孩的自制力教育,大人責無旁貸,畢竟如果大人都不可靠,那怎麼奢言要小孩自我節制?阿希姆.鮑爾強調,自制力並不違背人類的真實天性,長久以來都是我們的一大生物功能,使我們在滿足立即需求與達成長期目標之間,取得健康的平衡。的確,人類相較其他靈長類親戚最大的差異之一,就是人類較發達的前額葉皮質,讓人類能夠有理性決策的能力。

如今西方國家邁向成癮社會,讓阿希姆.鮑爾感到擔憂。他探討了德國人的自我節制能力,認為無法抗拒菸酒和飲食習慣的誘惑,造就了一大批不健康的國民。他同時也批評現代媒體的過度使用,讓小孩沉迷網路世界,逃避了真實世界中更多的樂趣。

能抵抗棉花糖誘惑的小孩,長大後也比較健康。因此阿希姆.鮑爾主張,優良的醫學不應僅止於提供患者藥物、手術及療程,而應幫助患者增強心理上的自制潛能,啟動病患生理上的自癒能力;對於病人,他認為疾病的挑戰促使我們重新探索人生,若能藉此強化自我力量的覺醒,就能化危機為轉機,激發對抗阿茲海默症及癌症等重大疾病的潛能。

中庸之道:適度體會誘惑,同理並掌握自制

儘管自制力真的很重要,但《棉花糖的誘惑》的作者是德國人,而東亞社會卻有許多狀況和歐洲文化不同。如東亞社會傳統上極為強調的溫良恭儉讓,就是自制力的不同面向。我們的應試教育,除了考智商,不就是強迫小孩學習延後滿足嗎?在整個教育過程,要求小孩對抗遊樂和兩性交往的誘惑,強迫他們把滿足時間延後十幾廿年到出社會後,然後屆時才責備孩子沒有社交和兩性交往的能力。

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另外,自制力應用到了極致,塑造的可能不是人,而是「超理性」的怪物,沒有同理心,無法享受生活的樂趣。一切所作所為都不是為了樂趣,全都是一項又一項的利害算計。其實這樣的人,歷史上不少,如阿道夫.希特勒,就是個野心勃勃、自制力超強的人,難道他對人類造成的苦痛會太少嗎?

因此我認為,要作為一個有同理心的人,中庸之道不是用自制力去抗拒排斥所有誘惑,而該適時適度地體驗一下誘惑的樂趣吧?

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene

Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋